ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

 

ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОВ ФОТОМЕТРИИ

 

Цель работы: знакомство с основными фотометрическими понятиями, величинами и экспериментальная проверка законов освещенности.

Приборы и принадлежности: фотометрический прибор на основе селенового фотоэлемента, осветитель, набор диафрагм, матовое стекло, линза, микроамперметр, выпрямитель, соединительные провода.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Раздел физики, занимающийся измерением характеристик оптического излучения, называется фотометрией. Для прикладной светотехники важна как объективная энергетическая характеристика света, так и мера воздействия света на глаз наблюдателя. Поэтому в фотометрии приходится вводить двойные единицы измерения: энергетические (оцениваемые по объективным энергетическим характеристикам) и фотометрические (оцениваемые по воздействию на глаз). Энергетические и фотометрические величины взаимосвязаны. Основной фотометрической величиной является единица силы света – кандела. Кандела (кд) – это сила света, излучаемого перпендикулярно поверхности черного излучателя с площади 1/6·10^–5м² при температуре затвердевания платины, находящейся под давлением 101325 Па.

Рассмотрим точечный источник, сила света которого равна I, и выделим телесный угол dΩ с вершиной в точке нахождения источника (рис. 1.1).

Величина

dΦ = IdΩ; (1.1)

называется элементарным световым потоком, излучаемым в пространство, ограниченное телесным углом dΩ;. Единицей светового потока является люмен (1 лм = 1 кд·1 стер). Если сила света источника не зависит от направления наблюдения (такой источник называется изотропным), то полный световой поток, излучаемый источником по всем направлениям, равен

Φ = 4πI (1.2)

Рис. 1.1.

 

На пути светового потока расположим элементарную площадку dS, нормаль к которой образует угол α; с направлением распространения света. Отношение светового потока к площади освещаемой поверхности

E = dΦ/dS (1.3)

называется освещенностью, которая измеряется в люксах
(1 лк = 1 лм/1 м²).

Построим также площадку dS₀, перпендикулярную к направлению наблюдения и находящуюся на том же расстоянии r от источника света, что и площадка dS. Учитывая, что

dS₀ = r²dΩ =dS cosα; (1.4)

и используя соотношение (1.1), из формулы (1.3) получаем

E = I cosα / r² (1.5)

Таким образом, освещенность поверхности обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника света (закон обратных квадратов) и прямо пропорциональна косинусу угла падениясвета на поверхность (закон косинусов).

Если источником света является некоторая поверхность, то для ее характеристики вводятся такие величины,как светимость и яркость.

Пусть площадка dS (рис. 1.1) излучает свет. Тогда светимость можно определить как световой поток, испускаемый с единицы площади:

R = dΦ / dS (1.6)

В свою очередь под яркостью понимают силу света, испускаемого с единицы видимой поверхности в данном направлении:

B = dI / dS cosα; (1.7)

Из формулы (1.7) следует, что яркость источника B может зависеть от угла α;. Однако существуют источники света, для которых яркость не зависит от направления наблюдения, т.е. B(α;) = const. Такие источники подчиняются закону Ламберта

I = I₀ cosα; (1.8)

и для них справедливо соотношение

R =πB (1.9)

Если свечение поверхности обусловлено освещением ее внешним источником, то светимость связана с освещенностью соотношением

R = ρЕ (1.10)

где ρ – коэффициент рассеяния (отражения) света.